Ocena jakości energii elektrycznej w budynkach biurowych

Pogorszona jakość energii przyczynia się do zwiększenia strat gospodarczych. Świadomość tego zjawiska istnieje w środowisku personelu zajmującego się eksploatacją sieci, choć dotychczas w Polsce nie prowadzi się dokładnych statystyk strat gospodarczych powodowanych niedostateczną jakością zasilania. Straty te  w krajach Europy Zachodniej i w USA są szacowane na dziesiątki miliardów dolarów rocznie, a średni koszt strat spowodowanych jedną godziną niedostarczonej energii waha się w zależności od sektora gospodarki, od 1000 do 13 000 euro [1]. O wadze problemu świadczy również podejmowanie szeregu inicjatyw i działań na rzecz poszerzenia wiedzy z zakresu jakości energii elektrycznej.

Przykładowo, efektem realizacji jednego z takich działań jest przedsięwzięcie Leonardo Power Quality Initiative (LPQI) [2], projekt LPQIves [3] czy powstanie Komitetu ds. Jakości Energii Elektrycznej przy SEP. W ciągu kilkunastu ostatnich lat powstały dokumenty precyzujące sposób oceny jakości energii i podające dopuszczalne granice odchyleń wybranych parametrów. Zasadnicze wymagania odnoszące się do sieci krajowych znalazły się w rozporządzeniu [4], przy czym niezbędne definicje oraz sposób pomiaru poszczególnych parametrów oceny jakości energii zawarto w normie [5], odnoszącej się do publicznych sieci rozdzielczych średniego i niskiego napięcia. Zagadnienia te opisano bliżej m.in. w pracy [6].

Obok problematyki oceny jakości energii, innym, równie ważnym zagadnieniem, są działania zmierzające do jej poprawy. W sieciach przemysłowych zwykle można określić charakter zakłóceń powodowanych przez określone grupy odbiorników i podjąć właściwe działania powodujące zmniejszenie tych zakłóceń, np. poprzez filtrację wyższych harmonicznych czy zastosowanie układów łagodnego startu silników. Odbiory zasilane z sieci komunalnej charakteryzują się natomiast dużym stopniem rozproszenia i zróżnicowania wprowadzanych zakłóceń, stąd też znacznie trudniej jest podjąć działania zmierzające do poprawy jakości energii w takich sieciach.

Działania takie polegają przede wszystkim na określeniu wymagań dotyczących dopuszczalnych odkształceń parametrów powodowanych przez odbiorniki powszechnego użytku. Przykładowo, jednym z podstawowych są wymagania norm z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej, określające dopuszczalne odkształcenie prądu odbiorników niskiego napięcia [7, 8]. Ponadto istnieją określone możliwości poprawy jakości zasilania w niektórych większych obiektach zasilanych z sieci komunalnej, takich jak na przykład budynki biurowe, które mogą być uwzględnione na etapie projektowania instalacji elektrycznej [9].

W artykule przedstawiono wybrane zagadnienia dotyczące oceny jakości energii w instalacjach elektrycznych typowych budynków biurowych. Omówiono charakterystyczne cechy obciążenia poszczególnych obwodów instalacji, zwracając szczególną uwagę na pogorszenie jakości energii powodowane wyższymi harmonicznymi prądów oraz na ocenę zjawiska migotania światła. Stwierdzono, że możliwe jest wskazanie typowych odkształceń i ich charakterystycznych poziomów dla poszczególnych obwodów instalacji budynku biurowego.

Budynki biurowe oaz inne podobne obiekty zasilane z publicznej sieci rozdzielczej, na przykład duże obiekty handlowo-usługowe, charakteryzują się m.in. tym, że możliwe jest wyodrębnienie w ich instalacji odbiorów, bądź grup odbiorów o określonym charakterze obciążenia. Zasilanie tak podzielonych odbiorów z odrębnych obwodów umożliwia poprawę jakości zasilania poprzez:

• zmniejszenie wzajemnego wpływu odbiorników o zróżnicowanych charakterystykach obciążenia,
• łatwiejsze spełnienie wymagań co do zapewnienia odpowiedniego poziomu jakości zasilania danej grupy odbiorników, np. poprzez zainstalowanie dla niej rezerwowego zasilania,
• prostsze możliwości zastosowania urządzeń eliminujących określony rodzaj zakłóceń, np. zastosowanie filtrów wyższych harmonicznych.

W artykule zamieszczono charakterystykę typowego budynku biurowego z punktu widzenia istnienia określonych grup odbiorników i rodzaju ich obciążenia mogącego mieć wpływ na jakość użytkowanej energii elektrycznej. Ponadto przedstawiono zakłócenia, jakich należy się spodziewać w analizowanych grupach odbiorników w zakresie wyższych harmonicznych oraz wskaźnika migotania światła. Przedstawiona analiza została przeprowadzona na podstawie pomiarów parametrów jakości energii przeprowadzonych w rzeczywistych obiektach.

Charakterystyka struktury odbiorów w budynku biurowym

W instalacji zasilającej typowego budynku biurowego można wyróżnić charakterystyczne obwody zilustrowane na rysunku 1. Podobna struktura instalacji zasilającej istnieje również w wielu innych obiektach, takich jak przykładowo większe budynki handlowe. Nie uwzględniono tu ogrzewania elektrycznego, gdyż w warunkach krajowych jest ono rzadko stosowane w omawianych obiektach. Poszczególne obwody mogą być charakteryzowane z punktu widzenia różnych parametrów, w szczególności poboru mocy i jej dobowego rozkładu oraz odkształcenia pobieranego prądu obciążenia.

Tygodniowy pobór mocy (rys. 2.) charakteryzuje się wyraźnym wzrostem zapotrzebowania w godzinach pracy oraz jego spadkiem w czasie poza godzinami pracy. Zapotrzebowanie na nocny pobór mocy zmniejsza się przy tym do ok. 15 - 25% zapotrzebowania w godzinach pracy. W dni wolne od pracy (na rysunku 2. jest to 20. dzień miesiąca, niedziela) zapotrzebowanie jest praktycznie równe zapotrzebowaniu nocnemu. Głównymi odbiorami zapotrzebowania nocnego w budynkach biurowych jest część urządzeń klimatyzacyjnych, serwerownia, oświetlenie zewnętrzne i awaryjne. W budynkach handlowo-usługowych może to być dodatkowo zasilanie urządzeń chłodniczych.

Inną cechą charakterystyczną obciążenia budynku biurowego jest stosunkowo wysoka wartość cosϕ, zawierająca się w zakresie od niemal 1 do ok. 0,8 (rys. 3.), przy czym średnia wartość może być szacowana jako równa 0,9. Należy pamiętać, że w przypadku znacznego odkształcenia przebiegów napięcia i prądu cosϕ dotyczy tu przesunięcia fazowego pomiędzy podstawową harmoniczną napięcia i podstawową harmoniczną prądu i zasadniczo nie jest współczynnikiem mocy. Współczynnik mocy λ jest wówczas zdefiniowany jako stosunek mocy czynnej do mocy pozornej.

Przebieg zmian wartości napięcia zasilającego na szynach rozdzielni głównej (rys. 4.) odpowiada zwykle cyklicznym zmianom obciążenia dobowego. Pomiar zilustrowany na rysunku 4. jest typowym pomiarem wolnych zmian napięcia zasilania, wykonanym zgodnie z normą PN-EN 50160 [5, 6], tzn. jest to ciąg uśrednionych wartości skutecznych napięcia mierzonego w 10-minutowych odcinkach czasowych w ciągu całego tygodnia (łącznie 1008 odcinków). Zarejestrowane zmiany zawierają się w zakresie zmian dopuszczalnych, tj. 95% z nich mieści się w przedziale ±10% napięcia znamionowego sieci [4, 5]. Na rysunku 4. widoczny jest ponadto zapad napięcia w 21. dniu miesiąca. Należy dodać, że na przedstawione na rysunku 4. przebiegi napięcia mają wpływ nie tylko obciążenie budynku, lecz również w pewnym stopniu zmiany napięcia sieci, po stronie zasilania transformatora z sieci średniego napięcia.

Wyższe harmoniczne i ich ocena

Podstawową przyczyną obecności wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym jest pobór prądów odkształconych od przebiegu sinusoidalnego przez odbiorniki nieliniowe przyłączone do sieci. Prądy te powodują pojawianie się spadków napięcia na elementach układu przesyłowego nie tylko dla harmonicznej podstawowej, lecz i dla kolejnych wyższych harmonicznych prądu, w efekcie czego dochodzi do odkształcenia napięcia w rozważanym punkcie zasilania. Odkształcenie napięcia jest charakteryzowane na dwa sposoby [4, 5]:

• przez całkowity współczynnik odkształcenia (total harmonic distortion):

lub

• przez względną wartość U_h% harmonicznej rzędu h odniesionej harmonicznej podstawowej U₁:

Przedstawione tu przykładowe wyniki pomiarów ilustrują zmiany współczynnika zawartości wyższych harmonicznych THD_U w wybranych obwodach instalacji budynku biurowego. Na wszystkich przebiegach widoczne są charakterystyczne dobowe zmiany współczynnika, przy czym współczynnik ten rośnie wraz ze wzrostem obciążenia. Minima przebiegów przypadają na godziny nocne oraz na godziny wczesnoporanne, natomiast maksima na przedpołudniowe i popołudniowe, gdy obciążenie obwodów jest największe.

Na rysunku 6. przedstawiono spektra harmonicznych napięć i prądów mierzone w rozdzielnicy głównej budynku. Z analizy przedstawionych harmonicznych napięcia (rys. 6a) wynika, że nie przekraczają one dopuszczalnych wartości podanych w normie [5]. Porównanie harmonicznych napięcia z harmonicznymi prądu pozwala ocenić, w jakim stopniu odkształcenie napięcia zasilającego budynek jest powodowane prądem pobieranym przez odbiory tego budynku, a w jakim stopniu są to odkształcenia zewnętrzne. Można zauważyć, że w analizowanym obwodzie największy wpływ na odkształcenie napięcia mają harmoniczne: 5. i 7. (rys. 6b). Są to charakterystyczne harmoniczne dla oświetlenia jarzeniowego bądź dla prostownika 6-pulsowego używanego w urządzeniach tzw. łagodnego rozruchu w silnikach wind. W spektrum harmonicznych prądu w obwodzie oświetlenia jarzeniowego (nieprzedstawionym tutaj) znaczący udział ma również 3. harmoniczna prądu.

Szczegółowej analizie poddano obwody komputerowe. Przeanalizowano dwa charakterystyczne przypadki takiego obwodu. Rysunek 7a przedstawia typowy układ zasilający wydzieloną sieć komputerową bez zastosowania zasilacza UPS. Można zaobserwować duży udział 3. harmonicznej, który jest charakterystyczny dla prądu pobieranego przez zasilacze komputerów (zasilacze impulsowe, zasilacze z pojemnościowymi filtrami napięcia). Natomiast rysunek 7b przedstawia układ sieci komputerowej zasilanej za pośrednictwem UPS-a z podwójnym przetwarzaniem. Jest to więc zasadniczo prąd pobierany przez układ UPS z sieci. Zastosowanie takiego układu powoduje zmniejszenie wpływu 3. harmonicznej z jednoczesnym wzrostem 5. i znacznym zmniejszeniem udziału pozostałych harmonicznych.

Szczególnym odbiornikiem w budynkach biurowych są windy. Są to odbiory z silnikami o znacznej moc i częstych rozruchach. Zakłócenia napięcia zasilającego powodowane tymi rozruchami można w znaczącym stopniu ograniczyć przez zastosowanie urządzeń łagodnego rozruchu silników. Charakterystyczną cechą prądu pobieranego przez silnik wyposażony w takie urządzenia jest występowanie harmonicznych typowych dla zastosowanego sterownika. Badany obwód był wyposażony w 6-pulsowy sterownik sterowany, którego spektrum przedstawiono na rysunku 8. Widoczny jest tu znaczący udział występujących parami harmonicznych 5. i 7., 11. i 13., 17. i 19., typowych dla takich układów.

Wskaźnik migotania światła

Wskaźnik migotania światła określa wrażenie niestabilności postrzegania wzrokowego spowodowanego bodźcem świetlnym, którego luminancja lub rozkład widmowy podlega zmianom w czasie [1, 5, 10, 11]. Zjawisko migotania światła jest więc bezpośrednio związane z negatywnym odczuciem systemu wzrokowego człowieka, co w zależności od cech psychofizycznych różnych osób może w konsekwencji prowadzić do rozdrażnienia bądź irytacji, spowodowanej powtarzającymi się zmianami luminancji źródła światła. Bezpośrednią przyczyną zjawiska migotania światła są zmiany napięcia zasilającego, a w szczególności zmiany cykliczne, czyli fluktuacje. Wskaźnik migotania światła jest więc mierzony na podstawie analizy zmian napięcia, a nie jak mogłaby sugerować jego nazwa, na podstawie pomiaru zmian natężenia oświetlenia. Dlatego może on być określany dla wszystkich poziomów napięcia zasilającego, z napięciem średnim i wysokim włącznie. Wskaźnik migotania światła jest określany na podstawie dwóch składników:

• wskaźnika krótkookresowego migotania światła P_st,
• wskaźnika długookresowego migotania światła P_lt, obliczanego z następującej zależności [5]:

Wskaźnik krótkookresowego migotania światła Pst jest obliczany przez współczesne rejestratory jakości energii na podstawie pomiaru zmian chwilowej wartości napięcia, z wykorzystaniem określonej procedury obliczeniowej [10]. Ogólna postać tej procedury polega na rejestrowaniu kolejno następujących po sobie względnych zmian napięcia ΔU/U_n w określonym przedziale czasu, zwykle 1 minuty lub 10 minut, i odniesieniu ich do największej wartości tych zmian (ΔU/U_n)_max w tym przedziale czasu [11]:

gdzie:

ΔU – wartość skuteczna zmian napięcia,

U_n – napięcie znamionowe sieci.

Następnie brana jest do dalszych obliczeń jedynie określona liczba N największych zmian ze zbioru wszystkich zarejestrowanych według zależności (4). Każdej z wziętych pod uwagę N zmian, w zależnosci od średniej częstości ich występowania, przypisywana jest określona wartość wskaźnika P_stj, przez porównanie z wzorcowym wykresem P_st=1. Ostateczna wartość wskaźnika P_st dla całego 1- bądź 10-minutowego odcinka czasu jest obliczana z zależności [11]:

gdzie wartość potęgi α jest uzależniona od liczby wziętych pod uwagę próbek N i zawiera się zwykle w zakresie od ok. 1,4 do ok. 3,5.

Norma [5] zaleca 10-minutowy czas obliczania wskaźnika krótkookresowego migotania światła. Następnie dla 12 kolejno obliczonych wartości Pst wylicza się wskaźnik długookresowego migotania światła według zależności (3). W ten sposób w ciągu tygodniowego okresu rejestracji są mierzone 84 wartości wskaźnika P_lt dla kolejnych 2-godzinnych przedziałów czasu. Zgodnie z rozporządzeniem [4] oraz z zaleceniem normy [5], 95 % spośród tak zmierzonych wartości P_lt powinno spełniać warunek:

Należy podkreślić, że przyjęta procedura określania wskaźnika krótkookresowego migotania światła ma istotne znaczenie dla ostatecznej wartości wskaźnika P_lt.

Wskaźnik migotania światła jest w istotny sposób pogarszany przez często załączane i wyłączane odbiory o znacznej mocy, powodujące powtarzające się wahania napięcia. Typowym przykładem są urządzenia do zgrzewania oraz urządzenia spawalnicze, a także wiele innych urządzeń przemysłowych o znacznej mocy, załączanych cyklicznie. W budynkach biurowych zwiększona wartość wskaźnika migotania światła może być powodowana przede wszystkim wskutek załączania i wyłączania silników wind. Efekt ten jest w znaczącym stopniu zmniejszony, jeśli silniki wind są wyposażone w urządzania łagodnego rozruchu, tak jak w przypadku pomiaru przedstawionego na rysunku 9., gdzie przeciętne wartości wskaźnika P_st zawierały się w zakresie od zera do ok. 0,2.

Na rysunku 9. widoczne są również trzy chwilowe zmiany wartości wskaźnika P_st ponad wartość 1. Bliższa analiza takich zdarzeń wymaga zapoznania się z przebiegami prądów i napięć odpowiadających rozpatrywanemu przedziałowi czasu. Zwykle brak szczególnych zmian w prądzie obciążenia analizowanego obwodu świadczy o tym, że pojedyncze, wielokrotnie większe od przeciętnych wartości wskaźnika są spowodowane zdarzeniem, które wystąpiło poza analizowanym obwodem. Jeśli natomiast w przebiegu prądu widoczna jest wyraźna zmiana, zwykle wzrost spowodowany nagłą, chwilową zmianą obciążenia, to może to być przyczyną wzrostu wartości wskaźnika. Analiza taka jest niejednokrotnie trudna do jednoznacznej oceny, zwłaszcza w obwodach, w których może występować znaczne zróżnicowanie charakteru odbiorników wpływających na pogorszenie się wskaźników migotania światła.

Sporadyczny wzrost wartości wskaźnika krótkotrwałego migotania światła P_st w niewielkim stopniu wpływa na całkowitą ocenę zjawiska, która zgodnie z [4, 5] jest dokonywana na podstawie wskaźnika długotrwałego migotania światła P_lt według zależności (6) (rys. 10.). Każdy z odcinków widocznych na rysunku 10. odpowiada 2-godzinnemu czasowi obserwacji i jest uśrednioną wartością 12 kolejnych wskaźników P_st z rysunku 9. Stąd wynika wyraźne zmniejszenie się wartości wskaźnika P_lt (rys. 10.) w porównaniu z wartościami P_st na rysunku 9.

Ostateczna ocena wskaźnika migotania światła jest dokonywana z wykorzystaniem wykresu uporządkowanego (rys. 11.), który w sposób czytelny ilustruje spełnienie kryterium (6), czyli ocenę 95 % wartości wskaźnika P_lt. Przedstawione przykładowe przebiegi wskaźnika migotania światła świadczą o tym, że w instalacji typowych budynków biurowych i innych podobnych obiektów użyteczności publicznej wartości wskaźnika migotania światła mieszczą się w granicach dopuszczalnych, określonych w [4, 5]. Upoważnia to do stwierdzenia, że charakter pracy odbiorów w budynkach biurowych nie stwarza znaczących problemów w zakresie zjawiska migotania światła.

Podsumowanie

W instalacji elektrycznej budynków biurowych oraz innych o podobnym przeznaczeniu istnieje możliwość wydzielenia pewnych typowych obwodów, których obciążenie cechuje się określonymi właściwościami w zakresie oceny parametrów jakości energii elektrycznej. Dane o tych parametrach umożliwiają realizację działań mających na celu poprawę jakości energii.

Podstawowymi parametrami charakteryzującymi jakość energii elektrycznej w poszczególnych obwodach instalacji budynku biurowego są harmoniczne napięć i prądów oraz wskaźnik migotania światła, w dobowym bądź tygodniowym cyklu obciążenia. Największy udział w spektrum harmonicznychprądu obwodów komputerowych i oświetlenia jarzeniowego mają harmoniczne rzędu 3., 5. i 7., natomiast w pozostałych obwodach 5. i 7.

Istotnym odbiornikiem mającym wpływ na wskaźnik migotania światła są silniki wind, dlatego celowym jest wyposażenie ich w układy łagodnego rozruchu, co w znaczący sposób wpływa na zmniejszenie efektu migotania światła.

W przeprowadzonych pomiarach, których wyniki częściowo zamieszczono w artykule, nie stwierdzono przekroczenia dopuszczalnych wartości poszczególnych parametrów jakości energii elektrycznej.

Literatura

1. A. Baggini (redaktor), Handbook of Power Quality, John Wiley & Sons, Chichester, 2008.
2. www.lpqi.org
3. www.lpqives.org
4. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (DzU z dnia 29 maja 2007 r., poz. 623 z późniejszymi zmianami).
5. PN-EN 50160:2008 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych.
6. A. Klajn, H. Markiewicz, Jakość energii i niezawodność zasilania w instalacjach elektrycznych, Podręcznik INPE dla elektryków, Dodatek do miesięcznika INPE, marzec 2007.
7. PN-EN 61000-3-2:2007 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 3-2: Poziomy dopuszczalne. Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu (fazowy prąd zasilający odbiornika < lub = 16 A).
8. PN-EN 61000-3-12:2007 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Część 3-12: Poziomy dopuszczalne. Poziomy dopuszczalne emisji harmonicznych prądu dla odbiorników o znamionowym prądzie fazowym > 16 A i < lub = 75 A przyłączonych do publicznej sieci zasilającej niskiego napięcia.
9. A. Klajn, Uwarunkowania w projektowaniu instalacji elektrycznych mające wpływ na jakość użytkowanej energii, „elektro.info” 12/2007, s. 28-32.
10. PN-EN 61000-4-15:2003 Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC). Metody badań i pomiarów. Miernik migotania światła. Specyfikacja funkcjonalna i projektowa.
11. J. Schlabbach, W. Mombauer, Power Quality. Entstehung und Bewertung von Netzrückwirkungen, VDE-Schriftenreihe Normen verständlich Nr 127, VDE Verlag GmbH, Berlin, Offenbach, 2008.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!